德国工业4.0的内涵

fangnan

德国工业4.0的内涵

    德国是全球制造业中最具竞争力的国家之一，其装备制造行业全球领先。这是由于德国在创新制造技术方面的研究、开发和生产，以及在复杂工业过程管理方面高度专业化使然。德国拥有强大的机械和装备制造业、占据全球信息技术能力的显著地位，在嵌入式系统和自动化工程领域具有很高的技术水平，这些都意味着德国确立了其在制造工程行业中的领导地位。
    因此，德国以其独特的优势开拓新型工业化的潜力——工业4.0(Industry4.0)，并开始推进这个产官学一体项目的新一代工业升级计划。作为全球工业实力最为强劲的国家之一，德国在新时代发展压力下，为进一步增强国际竞争力，从而提出了该概念。
制造业的数字化、虚拟化正在彻底改变人们制造产品的方式。为此，以德国为代表的欧洲，以及美国都打算大幅提升工业产值。美国的通用电气(GE)于2012年秋季提出了“工业互联网”(IndustrialInternet)概念，这是一个将产业设备与IT融合的概念，目标是通过高功能设备、低成本传感器、互联网、大数据收集及分析技术等的组合，大幅提高现有产业的效率并创造新产业。而日本的各企业也在推进M2M和大数据应用。
     德国“工业4.0”的大体概念是在2011年于德国举行的“汉诺威工业博览会”(HannoverMesse2011)上提出的。当时，德国人工智能研究中心董事兼行政总裁沃尔夫冈·瓦尔斯特尔教授在开幕式中提到，要通过物联网等媒介来推动第四次工业革命，提高制造业水平。在德国政府推出的《高技术战略2020》中，工业4.0作为十大未来项目之一，联盟政府投入2亿欧元，其目的在于奠定德国在关键技术上的国际领先地位，夯实德国作为技术经济强国的核心竞争力。
     2年后，在2013年4月举办的“HannoverMesse2013”上，由产官学专家组成的德国“工业4.0工作组”发表了最终报告——《保障德国制造业的未来:关于实施“工业4.0”战略的建议》(包括德语版和英文版)。
     与美国流行的第三次工业革命的说法不同，德国将18世纪引入机械制造设备定义为工业1.0，20世纪初的电气化为2.0，始于20世纪70年代的信息化定义为3.0，而物联网和制造业服务化宣告着第四次工业革命到来。
      “工业4.0”概念中的关键是将软件、传感器和通信系统集成于所谓的物理网络系统。在这个虚拟世界与现实世界的交汇之处，人们越来越多地构思、优化、测试和设计产品。

    “工业4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。
“工业4.0”的关键技术是信息通信技术(ICT)，具体包括联网设备之间自动协调工作的M2M(MachinetoMachine)、通过网络获得的大数据的运用、与生产系统以外的开发/销售/ERP(企业资源计划)/PLM(产品生命周期管理)/SCM(供应链管理)等业务系统联动等等。而第三次工业革命的自动化只是在生产工艺中运用ICT，“工业4.0”将大幅扩大应用对象。
     “工业4.0”项目主要分为两大主题，一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现;二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者。
      德国“工业4.0”计划强调，未来工业生产形式的主要内容包括:在生产要素高度灵活配置条件下大规模生产高度个性化产品，顾客与业务伙伴对业务过程和价值创造过程广泛参与，以及生产和高质量服务的集成等。物联网、服务网以及数据网将取代传统封闭性的制造系统成为未来工业的基础。
     德国电气电子和信息技术协会表示，在计划框架下，规划生产要素、技术和产业互联集成的关键前提是，各参与方需要就“工业4.0”涉及的技术标准和规格取得一致。该协会称，由其下属的德国电工委员会编纂的全球首个“工业4.0”标准化路线图正是向这一目标迈出的重要一步，为所有参与方就“工业4.0”涉及的现有相关标准和规格提供一个概览和规划基础。

德国工业4.0是不是新的工业革命?
     德国学术界和产业界普遍认为，“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法，旨在通过充分利用信息通讯技术和网络物理系统等手段，将制造业向智能化转型。2013年12月19日，德国电气电子和信息技术协会发布德国“工业4.0”标准化路线图。德国“工业4.0”是德       国政府确定的面向2020年的国家战略，在2013年4月的汉诺威工业博览会上首次发布《实施“工业4.0”战略建议书》(以下简称“建议书”)。

     与美国流行的第三次工业革命的说法不同，建议书将18世纪引入机械制造设备定义为工业1.0，20世纪初的电气化为2.0，始于20世纪70年代的信息化定义为3.0。鉴于技术正将实体物理世界和虚拟网络世界融合，建议书称，在制造领域，这种资源、信息、物品和人相互关联的“虚拟网络——实体物理系统(Cyber-PhysicalSystem，CPS)”可以被定义为工业4.0。CPS包括智能机器、存储系统和生产设施，从入厂到出厂，整合整个制造和物流过程，实现数字化和基于信息技术的端对端集成。
     
     不过，对于这个“第四次工业革命”的提法，世界范围内的认识并不一致。回忆起来，现在市面上还有人在说着“第三次工业革命”，也有人提出了“第六次工业革命”。段心鑫在《21世纪经济报道》发文认为，工业革命之所以配得上“革命”一词，并不是说其能对生产效率有多大的提高，而在于其通过对生产方式的颠覆性变革实现了人的解放，从而推动了人类社会的巨大变革。从这个标准来看，蒸汽机、电与内燃机、信息技术的出现都做到了这一点。而原子能技术、航天技术、生物科学以及五花八门的新能源技术，至少现在还没有。
那么，如果把信息技术列为第三次工业革命的核心内容，德国的“工业4.0”实际上还未能跳脱出这个范畴。因为，通过信息技术使得工业生产智能化、个性化只是信息技术在工业上的发展和延续，而算不上是革命。人类先是用互联网连接起电子产品，接着就想把更多东西联网，比如IBM公司在2008年提出的“智慧地球”。
      
     “工业4.0”想连接的是生产设备。这就是生产的“一体化”。把不同的设备通过数据交互连接到一起，让工厂内部，甚至工厂之间都能成为一个整体。这种工业设备生产数据的交互在德国正在变为现实。蔡司集团2013年在欧洲机床展上展出的一套名为PiWeb的系统，通过PiWeb能够把跨国公司分布在不同地区工厂的测量数据进行网络共享，生产经理在办公室里即可看到每一个工厂的数据，实现全球数据的同步监测。德国的奔驰公司和大众汽车已经开始使用了这套系统。
     
     “一体化”其实是为了“分散化”。也就是“工业4.0”提出的工业生产“由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变”，这与“Web2.0”时代的“去中心化”殊途同归。“分散化”后的生产将变得更加灵活。这样，不同的生产设备既能够协作生产，又可以各自快速地对外部变化做出反应。这完全是信息时代产生的大量个性化需求反映到生产端的结果，它要求工业生产告别上一个时代的标准化。而由此产生的庞大数据流必然也要求各个生产设备实现一定的智能化，即智能的控制系统。
   
    西门子驱动技术集团机床事业部主管JoachimZoll认为，这种“智能化”要求数控系统做到操作简单、功能多样、让设备与工厂结合、出色地完成数据的采集和分析。在汉诺威欧洲机床展上，西门子与库卡机器人公司签订了排他性的合作协议，旨在通过智能数控系统实现机器人自动化，使机器人与生产线无缝集成，其中数据交互也是重要的前提条件。
   
   凯文·凯利在他的著作《失控》中提出的“涌现”：大量遵循简单规则的个体的交互会导致整体出现复杂度极高的状态。而这种复杂的程度是任何单独个体都不具备的。比如，由神经元构成大脑。这个概念也可以用来理解“工业4.0”中提出的“智能工厂”。分散的、具备一定智能化的生产设备，在实现了数据交互之后，就形成了高度智能化的有机体。